2測量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍、國際發(fā)展趨勢及特點
2.1測量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍
根據(jù)國際發(fā)展的潮流和我國的現(xiàn)狀，目前認識到的測量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)的范圍主要包括
·工業(yè)自動化儀表、控制系統(tǒng)及相關(guān)測控技術(shù)
·科學(xué)儀器及相關(guān)測控技術(shù)
·醫(yī)療儀器及相關(guān)測控技術(shù)
·信息技術(shù)電測、計量儀器及相關(guān)測控技術(shù)
·各類專用儀器儀表及相關(guān)測控技術(shù)
·相關(guān)傳感器、元器件、制造工藝和材料及其基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)
2.2測量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢及特點
2.2.1測量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢
數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)把模擬儀器儀表的測量控制精度、靈敏度、速度及可靠性提高了幾個量級，為實現(xiàn)測量控制自動化打下了良好的基礎(chǔ)。計算機的引入，使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個別參量的測量轉(zhuǎn)變成測量整個系統(tǒng)的特征參數(shù)，從單純的接收、顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂�、分析、處理、計算與顯示輸出，從用單個儀器進行測量轉(zhuǎn)變成用測量系統(tǒng)進行測量。90年代，測量控制與儀器儀表科技的突破性進展是儀器儀表智能化程度的提高;DSP芯片的大量問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強;微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力和圖像處理功能;現(xiàn)場總線技術(shù)是九十年代迅速發(fā)展起來的一種用于各種現(xiàn)場自動化設(shè)備與其控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Internet和Intranet技術(shù)也將進入控制領(lǐng)域。現(xiàn)代儀器儀表產(chǎn)品將向著計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化的方向發(fā)展，跨學(xué)科的綜合設(shè)計、高精尖的制造技術(shù)使它能更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取被分析、檢測、控制對象的全方位信息。
未來10年，更高程度的智能化應(yīng)包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識的結(jié)合分析結(jié)果。利用物理學(xué)的新效應(yīng)和高新技術(shù)及其成就開發(fā)新型高靈敏度、高穩(wěn)定性、強抗干擾能力傳感器技術(shù)和測量控制儀器儀表。如：利用高溫超導(dǎo)量子干涉器(SGUID)開發(fā)計量測試儀器、物理學(xué)測試儀器、地學(xué)和地質(zhì)學(xué)儀器、化學(xué)分析儀器、醫(yī)學(xué)儀器、無損材料檢驗儀器等。利用橢偏技術(shù)來檢測光纖、光學(xué)玻璃等，它與近場光學(xué)相結(jié)合，不僅可以測量表面精細結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)近場光學(xué)反射偏振信息可以分辨出被測物體的材料，這是目前實驗研究新探索。將可調(diào)諧穩(wěn)頻激光光譜儀的技術(shù)用于高精密的幾何量與機械量和多種無形態(tài)量的測量，開發(fā)新一代微型光纖激光干涉儀，它的測量范圍可以從納米到幾米或更大的范圍，分辨率可達10nm;它還可用于稱重，研制新型電子天平、高分辨率的壓力計等。發(fā)展納米測量技術(shù)，建立納米計量測試標準，這是當今在計量與測量技術(shù)研究中十分活躍的課題。由于以信息技術(shù)為代表的高新科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，科學(xué)分析儀器正在經(jīng)歷一場革命性的變化，傳統(tǒng)的光學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)、色譜、波譜類分析技術(shù)都已從經(jīng)典的化學(xué)精密機械電子結(jié)構(gòu)、實驗室內(nèi)人工操作應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)化為光、機、電、算(計算機)一體化、自動化的結(jié)構(gòu)，并正向?qū)崟r的現(xiàn)場、在線方向和更名副其實的智能系統(tǒng)發(fā)展(帶有自診斷、自控、自調(diào)、自行判斷決策等高智能功能)。
促進科學(xué)儀器的工作原理、設(shè)計思想、設(shè)計方法發(fā)生明顯變化的關(guān)鍵技術(shù)主要有：
(1)微分析技術(shù)即分析儀器的微型化和微量化，其共性技術(shù)有微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微檢測技術(shù)、微光源、微光學(xué)系統(tǒng)、微傳感器等，應(yīng)用上述技術(shù)的分析儀器有微流控制芯片、芯片實驗室、微近紅外光譜儀等。
(2)新型生物、化學(xué)傳感技術(shù)，將生物芯片技術(shù)，新型化學(xué)傳感技術(shù)，智能傳感器技術(shù)應(yīng)用于分析儀器的研制。
(3)成像技術(shù)包括廣義成像，納米級超高分辨成像，圖像信息處理等，具體的領(lǐng)域有核磁共振技術(shù)、圖像自動分析及綜合技術(shù)、光譜成像技術(shù)、近場光學(xué)成像技術(shù)等。
(4)儀器的聯(lián)用技術(shù)，通過信息分離、專用軟件接口技術(shù)，實現(xiàn)多學(xué)科技術(shù)間的聯(lián)用，以實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的痕量成份分析、結(jié)構(gòu)分析、形態(tài)分析等綜合分析，如：色譜—質(zhì)譜聯(lián)用、色譜—光譜聯(lián)用等。多臺儀器、多個實驗室結(jié)合的綜合分析管理系統(tǒng)(LIMS,LaboratoryInformationManagementSystem)已經(jīng)推廣應(yīng)用;儀器可以上網(wǎng)、制造廠商可與全球用戶或用戶之間實現(xiàn)信息交流，廠商對用戶正在使用的儀器進行遠距診斷、指導(dǎo)正確使用或提出維修指導(dǎo)，各同類儀器用戶或相同分析工作用戶直接進行數(shù)據(jù)、情報共享、儀器的遠程校準和量值溯源等已指日可待。測量控制與儀器儀表在生物、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進了測量控制與儀器儀表的應(yīng)用拓展，靈敏、準確的現(xiàn)場毒物檢測、生命保障任務(wù)也大大擴大了測量控制與儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2.2儀器儀表科技發(fā)展的特點
根據(jù)上述測量控制與儀器儀表的國際發(fā)展趨勢，可以總結(jié)測量控制與儀器儀表科技發(fā)展具有以下主要特點：
★技術(shù)指標不斷提高
就如奧林匹克運動的口號是更高、更快、更強一樣，測量控制與儀器儀表在提高測量控制的技術(shù)指標和功能上是永遠的追求，測量控制與儀器儀表的技術(shù)指標水平是一個國家測量控制與儀器儀表水平的量化標志。以擴大檢測范圍指標來說，如電壓從納伏～100萬伏;電阻從超導(dǎo)至1014Ω;諧波測量到51次;加速度從10-4～104g;頻率測量至1012HZ;壓力測量至108Pa等;溫度測量從接近絕對零度至108℃等。以提高測量精度指標來說，工業(yè)參數(shù)測量提高至0.02%以上，航空航天參數(shù)測量達到0.05%以上，計量精度和科學(xué)儀器達到的精度更是與時俱進。以提高測量的靈敏度來說更是向單個粒子、分子、原子級發(fā)展。提高測量速度(響應(yīng)速度)，靜態(tài)0.1～0.02ms，動態(tài)為1us。提高可靠性，一般要求為2～5萬小時，高可靠要求25萬小時。穩(wěn)定性(年變化)<±0.05%(高精度儀器)或<±0.1%(一般儀器)。提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性，根據(jù)不同用戶的要求，有高溫、高濕、高塵、腐蝕、振動、沖擊、電磁場、輻射、深水、雨淋、高電壓、低氣壓等條件下的適應(yīng)性。
★大量采用新的科研成果和高新技術(shù)
測量控制與儀器儀表作為人類認識世界、改造世界的第一手工具，是人類進行科學(xué)研究和工程技術(shù)開發(fā)的最基本工具。人類很早就懂得“工欲善其事，必先利其器”的道理，新的科學(xué)研究成果和發(fā)現(xiàn)如信息論、控制論、系統(tǒng)工程理論，微觀和宏觀世界研究成果及大量高新技術(shù)如微弱信號提取技術(shù)，計算機軟、硬件技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，激光技術(shù)，超導(dǎo)技術(shù)，納米技術(shù)等均成為測量控制與儀器儀表科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要動力。儀器儀表不僅本身已成為高技術(shù)的新產(chǎn)品，而且利用新原理、新概念、新技術(shù)、新材料和新工藝等最新科技成果集成的裝置和系統(tǒng)層出不窮。
★測量單元微小型化、智能化
測量控制與儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術(shù)產(chǎn)品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現(xiàn)的“芯片式儀器儀表”，“芯片實驗室”、“芯片系統(tǒng)”等看，測量單元的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應(yīng)用技術(shù)看，微小型化和智能化測量單元的嵌入式連接和聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)得到重視。
★測控范圍向立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
隨著儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球化發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數(shù)千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點(I/O測控點)將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成一個有機的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，運載火箭上配置的各種傳感器就達到數(shù)千，而衛(wèi)星上各種測控裝置構(gòu)成一個完整的自動測控系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構(gòu)成一個廣域測控系統(tǒng)。
★便攜式、手持式以至個性化儀器儀表大量發(fā)展
隨著生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對自己的生活質(zhì)量和健康水平日益關(guān)注，檢測與人們生活密切相關(guān)的各類商品、食品質(zhì)量的儀器儀表，預(yù)防和治療疾病的各種醫(yī)療儀器是今后發(fā)展的一個重要趨勢�？茖W(xué)儀器的現(xiàn)場化、實時在線化，特別是家庭和個人使用的健康狀況和疾病警示儀器儀表將有較大發(fā)展。